JP2016502020A - 統合施設、及び、電力のフレキシブルな使用方法 - Google Patents

統合施設、及び、電力のフレキシブルな使用方法 Download PDF

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Abstract

本発明は、電熱式エチン製造施設と発電施設とを含む統合施設に関する。電熱式エチン製造施設は導管を介して発電施設に接続されており、発電施設は電熱式エチン製造施設で得られた生成ガスから電力を形成する。本発明の統合施設により、電力のフレキシブルな使用が可能となる。また、本発明の方法では、電力供給量が大きい期間中、電熱式エチン製造施設が駆動され、エチンに加えて得られる水素及び／又はガス状の炭化水素の少なくとも一部が貯蔵され、電力供給量が小さい期間中、貯蔵された水素及び／又はガス状の炭化水素が発電施設へ供給される。

Description

本発明は、統合施設、及び、電力のフレキシブルな使用方法に関する。
風力、太陽光エネルギ、水力などの再生可能エネルギの使用は、発電にとって重要な意義を有している。電気エネルギは、典型的には、長距離にわたって種々の地域及び国を超えて結合された電力供給網（以下電力網とも称する）を介して、多数の消費者へ送出されている。他の装置を用いないかぎり、電力網自体に電力の大部分を貯蔵しておくことはできないので、電力網に供給される電力は、消費者側の電力需要（いわゆる負荷）に合わせて調整されなければならない。負荷は、公知のごとく、時間に依存して、特に時間帯又は曜日又は季節に応じて変動する。従来、負荷特性は、基礎負荷及び平均負荷及びピーク負荷の３つの領域に分割され、発電装置はタイプに応じてこの３つの負荷領域で使用される。ここで、安定した確実な電力供給にとっては、発電と電力消費との連続したバランスが必要であり、場合により発生する短期間の偏差は、いわゆる正又は負の制御エネルギ（正又は負の制御電力）によって補償される。ただし、風力及び太陽光エネルギなどの所定のタイプの再生型の発電装置では、あらゆる時点での発電の送出は困難であり、所定の方式での制御がつねに可能になるというわけでないという問題点がある。例えば、時間帯及び天候によって、予測困難な、実際のエネルギ需要に一致しない変動が生じうる。
通常、変動する再生可能エネルギからの発電と実際の消費量との間の差は、他の発電プラント、例えばガス・石炭を利用する発電プラントや原子力発電プラントによってカバーされている。発電に利用される変動性の再生可能エネルギの割合が増大するにつれて、補償しなければならない電力と実際の消費量との間の変動も大きくなる。したがって、今日でも、こうした変動を補償するために、ガスを利用する発電プラントに加え、石炭を利用する発電プラントも、部分負荷で稼働されたり、又は、低い稼働率で稼働されたりすることがしばしばある。こうした発電プラントの可変の稼働方式はかなりの付加コストに結びつくので、しばらく前から代替措置の開発が研究されている。アプローチの１つとして、発電プラントの電力変換に代えてもしくはこれに加えて、１つもしくは複数の負荷での電力適合化（デマンドサイドマネジメント、スマートグリッド）がある。別のアプローチとしては、再生可能エネルギから大きな電力が得られるときに電力の一部を貯蔵し、発電の出力が小さいとき又は消費量が大きいときに電力を放出することが挙げられる。このために今日例えば揚水式発電プラントが利用されている。また、開発段階ではあるが、水の電解によって水素の形態で電力を貯蔵するアプローチも存在する。
上述した種々の措置はいずれも相当の付加コストを生じさせるうえ、低効率に起因するエネルギ損失を有する。こうした技術的背景から、再生可能エネルギ（特に風力及び太陽光）を利用して発電と電力消費との間の差を補償する、改善された手段への要求が高まっている。
アーク反応器としてのエチン製造施設に関して、アークのオンオフ制御により、電力供給の大きな変動にきわめて良好に適応できることが知られている。ただし、このケースでは、こうした施設が比較的僅かしか利用されていないため、電力過剰の場合にのみ装置を稼働させるとすると、当該施設の年平均で形成されるエチン量に関して、投資コストがきわめて高くなるという問題がある。
最大使用可能時間に対する推定動作時間が最大２０％である場合、償却時間が長くなりすぎ、認容不能となって、国の介入や特別な操業モデルを導入しないかぎり収益が得られない。ただし、こうした予測は、再生可能エネルギが大量に得られる期間のみ施設を駆動するという方式に基づいている。
また、長期にわたって再生可能エネルギの供給が小さいケースに対して、基本需要量を確実に充足できる発電プラントを確保しておかなければならない。このために必要な発電プラントの能力は、経営的に存続可能であるか、又は、状況によっては国の制御で賄われなければならない。なぜなら、このケースにおいても、短い駆動時間に比して比較的高い固定費用が生じるからである。
化石燃料もしくはバイオ燃料又は原子力をベースとした従来の発電プラントは、長期にわたって電力を計画的に供給できる。しかし、政治的理由に基づいて、特に、持続性及び環境保護の観点から、化石燃料もしくは原子力をベースとした施設の使用は低減され、再生可能エネルギをベースとした発電装置がより大きく利用されるようにすべきである。ただし、これらの発電装置は、需要量にしたがって設置され、それ自体の経済性に応じて稼働される必要がある。よって、再生可能エネルギをベースとした容量が或る程度存在するのであれば、再生可能エネルギの容量の増大に代え、貯蔵所（タンク）の形態の施設を設置したほうが、経済的に有意となる。このため、再生可能エネルギの電力過剰の期間には、貯蔵所を使用するほうが有意であり、電力不足の期間には、エネルギ貯蔵所又は従来の発電プラントから電力を得るほうが有意となる。なお、エネルギ消費量を目的に応じて適合化すれば、センシブルな電力過剰又は電力不足の期間は短くなると予測されるが、これらの期間が短くても電力供給を安定化させる必要はあり、しかも電力供給はできるだけ経済的に適合化されなければならない。
こうした従来技術を考慮して、本発明の課題は、従来のプロセスの欠点を有さない、改善されたシステムを提供することである。
特に、本発明は、従来技術に比べて電力の貯蔵及び利用の点でフレキシブルな手段を見出すことを課題とする。
さらに、例えば経済的利点を達成するために、電力供給量の変化及び／又は電力需要量の変化に対して特に柔軟に対応できるよう、施設はフレキシブルに駆動可能であるべきである。この場合、施設は、電力供給量の高下の期間が長い場合においても、電力の貯蔵もしくは形成のために使用できなければならない。
また、本発明により、供給の安定性も向上することが望ましい。
また、本発明の施設及び方法は、できるだけ高い効率を有することが望ましい。本発明の方法は、従来の広汎なインフラストラクチャを使用して実行できるものであるべきである。
さらに、本発明の方法は、簡易性と再現可能性とを達成するため、なるべく少数のステップで実行できるとよい。
さらに、明示的に挙げなかった別の課題も、以下の説明及び特許請求の範囲の全体に関連して存在する。
明示的に挙げなかった課題を含めて、上述した課題は、冒頭に言及した形式の、電熱式エチン製造施設と発電施設とを含む統合施設において、電熱式エチン製造施設を、導管を介して発電施設に接続し、この導管によって電熱式エチン製造施設で得られた生成ガスを発電施設へ供給することにより、解決される。こうして、電熱式エチン製造施設で得られた生成ガスを発電施設において発電に利用することができる。
つまり、本発明では、電熱式エチン製造施設と発電施設とを含む統合施設を対象としている。当該統合施設では、電熱式エチン製造施設が導管を介して発電施設に接続されており、この導管によって電熱式エチン製造施設で得られた生成ガスが発電施設へ供給されることが特徴である。
また、本発明では、電力のフレキシブルな使用方法も対象としている。当該方法では、本発明の統合施設において、電力供給量が大きい期間中、電熱式エチン製造施設が駆動され、エチンに加えて得られる水素及び／又はガス状の炭化水素の少なくとも一部が貯蔵され、電力供給量が小さい期間中、貯蔵された水素及び／又はガス状の炭化水素が発電施設へ供給される。
本発明の統合施設及び本発明の方法は、特に良好な特性プロフィルを有しており、従来の方法及び装置の欠点を著しく低減できる。
驚くべきことに、特に、電熱式エチン製造施設を高い利用率で駆動できることが判明した。ここでは、再生可能エネルギを過剰時に特に経済的に利用できる。さらに、当該施設によって、再生可能エネルギ（特に風力又は光起電）に由来する過剰電力を貯蔵可能な形式へ変換することができる。
さらに、長期間にわたって再生可能エネルギの供給量が小さい場合にも、電力を特に低コストに形成することができる。
電熱式エチン製造施設は高度にダイナミックに駆動できるので、電力供給量に応じて可変に適合化できる。この場合、電力供給量の高下が長期にわたる場合にも、統合施設を電力の貯蔵又は形成のために使用できる。この場合、統合施設の全ての要素の動作時間の驚くべき増大が達成され、システムの稼働をいっそう経済的にすることができる。
さらに、電熱式エチン製造施設は、電力供給量に依存して制御可能なように構成されている。
本発明の方法の有利な実施形態では、エチンの電熱製造のために、再生可能エネルギに由来する電力が用いられる。
さらに、本発明の方法は、少数のステップで実行可能であり、簡易であって、再現性も高い。
再生可能エネルギに由来する電力を用いることにより、本発明の統合施設は、二酸化炭素の放出量を低く抑えつつ、化学的な反応生成物の調製が可能である。これは、ここで得られるエチンがきわめて高い変換率で変換可能であり、さらに、代替的な出発物質に比べ、より小さなエネルギで、又は、より大きな放熱量で、化学的に重要な多くの反応生成物を生成できるからである。
本発明の統合施設は、電気エネルギ（以下、電力とも称する）の目的に応じたフレキシブルな利用のために用いられる。本発明の統合施設は、電力供給量が大きい期間に電気エネルギを貯蔵でき、電力供給量が小さい期間に電気エネルギを電力網へ供給できる。貯蔵とは、ここでは、電力供給量が大きいときに、電力を、貯蔵可能な形態すなわち化学エネルギへ変換しておき、電力供給量が小さいときに、この化学エネルギを電気エネルギへ変換できることを意味する。この場合の貯蔵は、副次生成物である水素の形態で行われ、この水素は電熱式のエチン製造に際してメタンもしくは高次の炭化水素から必然的に生じるものである。また、当該貯蔵は、電熱式エチン製造施設でエチンの生成と同時に進行する吸熱変換によって得られる生成物の形態で行うこともできる。吸熱変換は、例えば、２分子のメタンを変換してエタンと水素とを得る変換である。これに関連して、２分子メタン（ＣＨ４）は１モルエタン（Ｃ２Ｈ６）及び１モル水素よりも小さなエネルギ量を有しているので、メタンから水素及び３個以上の炭素原子を有する炭化水素への変換によって、エネルギを蓄えることができる。
従来のエチン製造施設では、場合により生じる副次生成ガスを純粋な形態で販売できるようにするため、当該ガスの処理に比較的大きなエネルギが用いられる。当該施設では、副次生成ガスのエネルギを使用することにより、こうした洗浄を著しく簡単に実行できる。
本発明の統合施設は、電熱式エチン製造施設を含む。電熱式とは、エチンを吸熱反応によって炭化水素もしくは石炭から生成し、反応に必要な熱を電力によって形成するプロセスのことである。有利には、ガス状もしくは蒸気状の炭化水素、特に有利には、脂肪族炭化水素が用いられる。好適なのは、メタン、エタン、プロパン及びブタンであり、特にメタンが適している。エチンを脂肪族炭化水素から電熱式に製造する際には、副次生成物として水素が得られる。
電熱式エチン製造施設は、従来技術、例えばUllmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, Vol.1, 2012 Wiley-VCH Verlag GmbH&CoKGaA, Weinheim, DOI:10.1002/14356007.a01_097.pub4の296頁から303頁、並びに、独国公開第１９００６４４号公報及び欧州公開第０１３３９８２号公報から公知である。
電熱式エチン製造施設は、有利には、アーク反応器を含む。電熱式エチン製造施設は、この場合、アークのガス流を通して少なくとも１種類の炭化水素を導入する、１ステップのプロセスで行われる。これに代えて、電熱式エチン製造施設を、２ステップのプロセス、すなわち、まずアークを通して水素を導入し、ついでアークの後方で、アークによって形成された水素プラズマへ少なくとも１種類の炭化水素を供給するプロセスを行う施設として構成してもよい。
アーク反応器は、０．５ｋＷｈ／Ｎｍ３から１０ｋＷｈ／Ｎｍ３のエネルギ密度、有利には１ｋＷｈ／Ｎｍ３から５ｋＷｈ／Ｎｍ３のエネルギ密度、特に有利には２ｋＷｈ／Ｎｍ３から３．５ｋＷｈ／Ｎｍ３のエネルギ密度で駆動される。こうしたエネルギ密度はアークを通して導入されるガス体積量に関連する。
アーク反応器の反応領域の温度は、ガス流に基づいて変化する。アークの中心は２００００℃に達し、縁部では約６００℃となっている。アークの端部では、ガスの平均温度が有利には１３００℃から３０００℃の範囲、特に有利には１５００℃から２６００℃の範囲となる。
アーク反応器の反応領域における使用物質の滞在時間は、０．０１ｍｓから２０ｍｓの範囲にあり、有利には０．１ｍｓから１０ｍｓの範囲、特に有利には１ｍｓから５ｍｓの範囲にある。その後、反応領域から発生したガス混合物が２５０℃を下回る温度へクエンチすなわち急冷して、熱力学的に不安定なアセチレンなどの中間生成物の発生が回避される。急冷に際しては、炭化水素及び／又は水が供給される直接急冷プロセス、又は、熱交換器における急速冷却で蒸気を得ることによる間接急冷プロセスを利用可能である。直接急冷プロセスと間接急冷プロセスとを相互に組み合わせることもできる。
第１の実施形態では、反応領域から生じるガス混合物は水によってのみ急冷される。この実施形態は投資費用が比較的小さいことが特徴である。ただし、この方式では、生成ガスに含まれるエネルギの大部分が使用できないか、又は、全く利用できない。
有利な実施形態では、反応領域から発生するガス混合物が、炭化水素含有ガス又は炭化水素含有流体と混合され、炭化水素の少なくとも一部が吸熱分解される。プロセスの進行に応じて、範囲の多少はあるにせよ、例えばエチン及び水素に加え、エタン、プロパン、エテン及び他の低次の炭化水素などの生成物が得られる。これにより、生じる熱の大部分を、炭化水素の吸熱分解などの他のプロセスへ供給できる。
例えば１５０℃から３００℃程度まで温度が低下した後、固定の物質、特に炭素粒子が分離され、出発物質に応じて、エチン及び水素以外の別の物質、例えばエテン、エタン、一酸化炭素、Ｈ２Ｓ及びＣＳ２などの揮発性硫化物を含むガス混合物が、エチンを取得するさらなる処理のために供給される。この場合、エチンは選択的吸収によってガス混合物から溶剤へ分離される。適切な溶剤は、例えば水、メタノール、Ｎ‐メチルピロリドンもしくはその混合物である。エチンをガス混合物から分離する適切な手法は従来技術から公知であり、例えば、Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, Vol.1, 2012 Wiley-VCH VerlagGmbH&Co.KGaA, Weinheim, DOI:10.1002/14356007.a01_097.pub4の291頁から293頁、299頁及び300頁、並びに、独国公開第３１５０３４０号公報及び国際公開第２００７／０９６２７１号に記載されている。
電熱式エチン製造施設の電力消費量は、アセチレンの計画生産能力に依存して変化する。たいていの他の化学的生成技術と同様に、比投資費用（生産能力の設計に対する投資費用の割合）は、施設の規模が増大するにつれて低下する。アセチレンを製造するための通常の施設規模は、（全負荷計算で）１年でアセチレンを数万トンから数十万トンの範囲で製造するレベルである。文献から理解されるように、アセチレンを生成する反応部での比エネルギ需要量は、使用される原物質に応じて、エチン１トン当たり約９ＭＷｈelectricalから約１２ＭＷｈelectricalの範囲にある。そこから、処理に必要な電気エネルギを含めて、アセチレン施設の電力の絶対必要量が取り出される。なお、所望の生産能力は、通常、共通制御又は個別制御の可能な複数のアーク反応器を並列に配置することによって達成される。
本発明の統合施設は、エチン製造施設で得られた生成ガスが導管を介して供給される発電施設を含む。ここでの発電施設としては、生成ガスから電力を形成可能な全てのプラントが含まれる。有利には、高効率の発電施設が使用される。
発電施設に供給される生成ガスには、有利には、水素及び／又はエチン以外の炭化水素が含まれる。炭化水素は、電熱式のエチン製造の際に変換されなかった使用物質、急冷中に添加される炭化水素、急冷の際に形成される炭化水素又はその混合物であってよい。
有利な実施形態では、発電施設は燃料電池を含む。この実施形態では、有利には、主として水素を含む生成ガスが発電施設に供給される。
別の有利な実施形態では、発電施設は、タービンを備えた発電プラントを含む。有利には、タービンを備えた発電プラントは、水素及び／又は炭化水素含有ガスによって駆動されるガスタービンを含む。この場合、特に有利には、種々の組成の水素と炭化水素含有ガスとの混合物によって駆動可能なガスタービンが使用される。
有利には、タービンを備えた発電プラントはガス‐蒸気タービン発電プラントであり、これはガス蒸気発電プラント（コンバインドサイクル発電プラント）とも称される。この発電プラントでは、ガスタービン発電プラントの方式と蒸気発電プラントの方式とが組み合わされている。この場合、ガスタービンは一般に、後置接続される廃熱ボイラ用の熱源として用いられる。当該廃熱ボイラは蒸気タービン用の蒸気発生器として機能する。
発電施設には、エチンの製造時に得られる生成ガスに加えて、別の物質、例えば、燃料電池の動作のための付加的な水素、又は、タービンの動作のためもしくは蒸気発生器を加熱するための付加的な燃料となる水素も供給される。
発電施設の出力は、電熱式エチン製造施設の生産能力に依存して選定される。有利には、発電施設の出力は、全負荷時の電熱式エチン製造施設の電力需要量が当該発電施設によって完全に充足されるように選定される。この場合、エチンの生産能力に対する電力の比は、有利にはエチンｔ／ｈ当たり２ＭＷelectricalから２０ＭＷelectricalまでの範囲、特に有利にはエチンｔ／ｈ当たり５ＭＷelectricalから１５ＭＷelectricalまでの範囲となる。電力は、個々の装置によって、又は、複数の装置の協働（プーリング）によって達成される。当該プーリングは共通の制御部によって達成される。なお、電熱式エチン製造施設用の電気エネルギは、電力網から調達可能である。また、発電施設は、電熱式エチン製造施設以外の他の電力負荷に給電したり、又は、電熱式エチン製造施設の要求に応じて、電力を電力網へ給電したりできるように構成されている。
統合施設では、電熱式エチン製造施設が、導管を介して、発電施設に接続されており、電熱式エチン製造施設で得られた生成ガスがこの発電施設に供給される。生成ガスは、有利には、水素及び／又は炭化水素含有ガスから成る。生成ガスは、導管を介して、発電施設にガス状もしくは流体状で供給され、圧力の増大又は温度の低減によって流体圧送が行われる。
電熱式エチン製造施設と発電施設とを接続している導管は、有利には１０ｋｍ未満の長さ、特に有利には１ｋｍ未満の長さを有する。
有利な実施形態では、電熱式エチン製造施設は、エチンの電熱製造時に得られるガス混合物の分離装置を有し、この分離装置が発電施設に接続される。電熱式にエチンを製造する際に得られるガス混合物の分離装置では、エチンが水素及び他の炭化水素から分離される。エチンから分離された水素及び炭化水素を含む混合物は直接に発電施設に供給される。これに代えて、エチンから取り出された混合物から水素を分離し、選択的に水素又はここで生じる炭化水素含有ガスを発電施設に供給してもよい。同様に、分離装置から、水素と炭化水素含有ガスとの双方を、それぞれ個別の線路を介して供給してもよい。水素と炭化水素との分離は、本発明の統合施設では不完全になることもあるが、不完全分離による施設の稼働率への悪影響が生じないので、従来技術の電熱式エチン製造施設で行われるような完全分離に比べて、装置コスト及び分離のためのエネルギ消費量が小さくて済む。
統合施設の別の有利な実施形態では、発電施設は、相互に分離された複数の装置、すなわち、水素から電力を形成する装置と炭化水素含有ガスから電力を形成する装置とを含み、これらの装置は有利には、別々の導管を介して、電熱式エチン製造施設で得られたガス混合物の分離装置に接続される。特に有利には、発電施設は、水素から電力を形成する燃料電池と、炭化水素含有ガスから電力を形成するガス‐蒸気タービン発電プラントとを含む。この実施形態では、水素リッチなガスの変換に適さないガス‐蒸気タービン発電プラントも、本発明の統合施設に使用可能である。
別の有利な実施形態では、本発明の統合施設は、付加的に、電熱式エチン製造施設で得られた生成ガスのための少なくとも１つの貯蔵所を有する。この場合、貯蔵所は、導管を介して、電熱式エチン製造施設と発電施設との双方に接続される。特に有利には、貯蔵所は、電熱式エチン製造施設で得られたガス混合物を分離する分離装置にも接続され、これにより、水素、及び／又は、エチンから分離された炭化水素含有ガスを貯蔵所内に貯蔵可能である。有利には、当該貯蔵所は水素貯蔵装置である。特に有利には、統合施設は、水素用の貯蔵所と、エチンから分離された炭化水素含有ガス用の貯蔵所との双方を含む。
また、本発明の統合施設は、電熱式のエチン製造の際に得られた生成ガスが発電施設に供給される前に、この生成ガスの組成を変化させる装置を含むこともできる。有利には、本発明の統合施設は、エチンの電熱製造の際に副次生成物として得られた水素をフィッシャー‐トロプシュ合成法もしくはメタン化法によって炭化水素へ変換する装置を含む。このようにして得られた炭化水素は、エチンから分離された炭化水素とともに、又は、こうした炭化水素とは別個に、発電施設へ供給される。水素から炭化水素への変換により、エチンの電熱製造の際に得られた生成ガスを発電施設に供給することが容易となる。なぜなら、発電施設では、発電のために炭化水素が燃焼されるが、確実な駆動に必要な燃焼ガス中の水素成分が所定の狭い範囲内に維持されるからである。適切なフィッシャー‐トロプシュ合成装置もしくはメタン化装置は、従来技術、例えば、独国公開第４３３２７８９号公報及び国際公開第２０１０／１１５９８３号公報に記載されている。
別の有利な実施形態では、統合施設は、電熱式エチン製造施設内に、電熱プロセスの余熱によって蒸気を発生する蒸気発生装置と、蒸気から電力を形成する発電装置と、蒸気発生装置で形成された蒸気を発電装置へ供給する蒸気導管とを含む。有利には、アーク反応器で得られた反応ガスの間接急冷の機構が蒸気発生装置として利用される。蒸気から電力を形成する発電装置は、例えば蒸気タービンもしくは蒸気モータであり、有利には蒸気タービンである。特に有利には、蒸気タービンはガス‐蒸気タービン発電プラントの要素である。有利な構成として、エチン製造施設で生じた余熱を発電に利用することができ、このようにすれば、蒸気から電力を形成する発電装置の駆動に必要な燃料量を低減できる。
別の有利な実施形態では、本発明の統合施設は、付加的にエチン貯蔵所を含む。エチン貯蔵所を設けることにより、電熱式エチン製造施設における電力供給量が小さく、エチンの生成が僅かであるか又は全く生成されない場合にも、エチンから他の生成物への変換を後方で行って、動作を続行させることができる。有利には、エチンの貯蔵は溶剤への溶解の形式で行われる。特に有利には、ここでの溶剤は、電熱式エチン製造施設の反応混合物からエチンを分離する際にエチンを吸収するために用いられる溶剤である。
別の有利な実施形態によれば、本発明の統合施設は天気予報ユニットに接続される。このように、天気予報ユニットを接続することにより、一方では、安価な余剰電力を利用する手段と、電力供給量が小さいときに（高い電力価格で）発電施設から電力を調達する手段とを利用できるよう、他方では、エチンを必要とする下流の施設の連続動作にとって充分なエチンをつねに供給できるよう、施設の駆動を適合化することができる。したがって、天気予報の内容に応じて、例えばエチン貯蔵所の充填レベルを増減させることができる。さらに、エチンのさらなる処理を行う施設につき、別の駆動モードを準備し、調整を行うこともできる。このように、長期にわたって電力供給量が小さくなる場合に、システムの一部を小さい生産電力に適合するように調整できるので、エチンの欠乏による駆動の中断を回避できる。
付加的に、統合施設は、消費量予測ユニットに接続されてもよい。この消費量予測ユニットは、有利には、消費量の履歴に関するデータを記憶したデータメモリを含む。消費量の履歴に関するデータは、例えば、電力需要及び／又は発電に関する日次特性又は週次特性又は年次特性乃至その他の特性を含む。消費量予測のデータは、特別の変化、例えば大口消費者の獲得又は逸失を考慮することもできる。これに加えて又はこれに代えて、データメモリが電力価格の履歴特性に関するデータを含んでもよい。
本発明の電力のフレキシブルな使用方法では、本発明の統合施設において、電力供給量が大きい期間に、電熱式エチン製造施設を駆動して、エチンに加えて得られる水素及び／又はガス状の炭化水素の少なくとも一部を貯蔵し、電力供給量が小さい期間に、貯蔵された水素及び／又はガス状の炭化水素を発電施設へ供給する。有利には、本発明の方法では、水素が貯蔵される。
電力供給量については、電力過剰状態及び電力不足状態の双方が存在する。電力過剰状態は、所定の時点で、再生可能エネルギから当該時点での全消費量よりも多くの電力が形成される場合に発生する。電力過剰状態は、さらに、大部分の電気エネルギが変動する再生可能エネルギから形成され、発電プラントのカットバック又は遮断が高いコストに結びつく場合にも発生する。電力不足状態は、比較的少量の再生可能エネルギしか利用できず、発電プラントの駆動が非効率であるか又は高いコストに結びつく場合を云う。ここで挙げた種々の電力過剰状態及び電力不足状態は種々の方式で識別可能である。例えば、電力の取引価格は種々の状況の識別子となりうる。つまり、電力過剰状態及び電力不足状態は、電力価格の高下につながりうる。ただし、電力過剰状態又は電力不足状態自体は電力価格に直接には影響しない。例えば、電力過剰状態は、風力発電所の事業者が予測よりも大きな電力を形成して余剰分を売った場合に生じる。相応に、電力不足状態は、風力発電所の事業者が予測よりも小さな電力しか生産できなかった場合に生じる。本発明は、電力過剰状態及び電力不足状態のこれら全てのケースを含む。
本発明の方法は、有利には、電熱式のエチン製造に必要な電力の少なくとも一部が、統合施設に含まれる発電施設によって、電熱式のエチン製造の際に得られた生成ガスから形成される。電力供給量が大きい期間に電熱式エチン製造施設が駆動される場合、有利には、統合施設に含まれる発電施設が低減された電力で駆動されるか又は遮断され、電熱式のエチン製造に必要な電力の大部分が、大きな電力供給量を有する電力網から取り出される。相応に、電力供給量が小さい期間に、統合施設に含まれる発電施設が駆動される場合、有利には、電熱式エチン製造施設が低減された電力で駆動されるか又は遮断され、電熱式のエチン製造に必要な電力の一部が電力網から取り出されるか、又は、統合施設に含まれる発電施設からの電力が電力網に供給される。
エチンに加えて得られる水素及び／又はガス状の炭化水素の貯蔵は、有利には、統合施設に含まれる貯蔵所、特に有利には、上述したごとく電熱式エチン製造施設と発電施設との間に配置される貯蔵所において行われる。これに代えて、天然ガス供給源からのガス分配導管を介して統合施設に接続された別個の貯蔵所に貯蔵を行ってもよい。
貯蔵所の形態は任意であり、圧力タンク、又は、液体ガス貯蔵装置、又は、炭化水素を溶剤に溶解貯蔵する貯蔵装置、又は、固体物質としてのガス吸蔵体を有する貯蔵装置を使用できる。水素の貯蔵のためには、可逆的化学反応によって水素を貯蔵する化学的貯蔵装置が適する。有利には、水素のための貯蔵装置とエチンに加えて得られるガス状の炭化水素とのための貯蔵装置が別々に用いられる。貯蔵装置の容量は、電熱式エチン製造施設が全負荷のもとで２時間、有利には１２時間、特に有利には４８時間生産した水素量及び／又はガス状の炭化水素量が収容されるように選定される。
本発明の方法の有利な実施形態では、電熱式エチン製造施設はアーク反応器を含み、このアーク反応器で得られたガス混合物が、炭化水素含有ガス及び／又は炭化水素含有流体に冷却のために混合される。この場合、上述したように、炭化水素の少なくとも一部が吸熱分解されるので、出発物質よりも高いエネルギ量を有する分解生成物が得られ、発電施設への供給時に、出発物質を供給する場合よりも多くの電気エネルギが得られる。この実施例によれば、アーク反応器に供給される電気エネルギを、高エネルギの分解生成物の形態で貯蔵できる。有利には、炭化水素含有ガス及び／又は炭化水素含有流体の形態及び／又は量は、予測された電力供給量に依存して選択される。特に有利には、炭化水素含有ガス及び／又は炭化水素含有流体の混合による直接急冷と、蒸気形成による間接急冷との組み合わせが利用される。なぜなら、直接急冷時に添加される炭化水素の形態及び／又は量を選択することにより、アーク反応器内で生じる熱の、どの程度の割合を分解生成物の形態で後の発電のために貯蔵し、どの程度の割合を蒸気の形態で貯蔵せずに直ちに発電に用いるかを制御できるからである。
有利には、電力供給量が大きい場合、エチンの製造に用いられるエネルギは少なくとも部分的に再生可能エネルギ、有利には風力及び／又は太陽光エネルギから得られる。ただし、現在の独国の法的状況によれば、再生可能エネルギから得られた電力は、実際的必要がなくても電力網へ供給可能であり、これに対しては報酬が支払われなければならない。この場合、発電所の事業者にとっては、自己費用を下回る価格での電力販売よりも、発電所を低レベル運転することのほうか不経済であるから、従来の方式で得られた電力は一時的に「過剰状態」となりうる。従来の施設の駆動続行によって得られる電気エネルギの過剰状態は、本発明の方法によって経済的に活用され、特には貯蔵可能となる。
本発明の方法の有利な実施形態では、発電施設としてガス‐蒸気タービン発電プラントが使用され、電力供給量が大きい場合、電熱式エチン製造施設が定格出力の８０％超の出力で駆動され、発電施設が定格電気出力の０％−５０％の出力で駆動される。電力供給量が小さい場合には、電熱式エチン製造施設が定格出力の０％−５０％の出力で駆動され、発電施設が定格電気出力の８０％超の出力で駆動される。
電力供給量が大きい場合、ガス‐蒸気タービン発電プラントは、有利には定格電気出力の４０％超の出力で、特に有利には定格電気出力の３０％超の出力で駆動される。
電力供給量が小さい場合、電熱式エチン製造施設は、有利には定格出力の最大４０％の出力で、特に有利には定格出力の最大３０％の出力で駆動される。
動力と熱とを結合したガス‐蒸気タービン発電プラントが駆動される場合、発電プラントの定格出力は使用ガス量の変化によって又はプロセス蒸気の成分の変化によって設定され、発電に利用されない蒸気が生じる。
有利には、駆動時間の大部分において、電力供給量が平均的である場合に、電熱式エチン製造施設と発電施設との双方が、電熱式エチン製造施設でエチンに加えて得られる水素及び／又はガス状の炭化水素の全量が発電施設へ供給される出力で駆動される。
本発明の方法のこうした構成により、電熱式エチン製造施設と発電施設との双方で、高い駆動時間、ひいては、２つの施設の経済的な駆動が達成される。
有利には、本発明の方法は、
ａ）電力供給量についての第１の閾値及び第２の閾値を設定するステップと、
ｂ）電力供給量を求めるステップと、
ｃ）電力供給量が第１の閾値を上回った場合に、発電施設の出力を電力供給量に依存して変化させ、電力供給量が第２の閾値を下回った場合に、電熱式エチン製造施設の出力を電力供給量に依存して変化させるステップと、
ｄ）ステップｂ），ｃ）を反復するステップと
を含む。
有利には、閾値は、エチン貯蔵所の実際の充填レベルに依存して、又は、次の数時間のエチンの消費及び生成の進行予測に依存して、定められる。例えばエチン貯蔵所の充填レベルが低い値まで低下する場合、電熱式エチン製造施設の出力を低減させるための下方閾値も低い値に設定される。
電力供給量は、発電装置及び／又は電力負荷との適合調整によって直接に求められるか、又は、取引システムによって、乃至、相対取引プロセスＯＴＣ及びこれに属する電力価格によって間接的に求められる。有利な実施形態では、電力供給量は、風力及び／又は太陽光エネルギを用いた発電装置との適合調整によって求められる。別の有利な実施形態では、電力供給量は、取引システムに基づく電力価格に関して求められる。
電力供給量が風力及び／又は太陽光を用いた発電装置の適合調整によって求められる場合、有利には、第１の閾値が上方超過されると発電装置の電気出力が電力過剰状態にしたがって変化され、第２の閾値が下方超過されると電熱式エチン製造施設の出力が電力不足状態にしたがって変化される。
電力供給量が取引システムでの電力価格によって求められる場合、有利には、第１の閾値が上方超過されると発電装置の電気出力が設定された低い値へ変化され、第２の閾値が下方超過されると電熱式エチン製造施設の出力が設定された低い値へ変化される。
発電施設の電気出力を低減するための第１の閾値の絶対値は、本発明の別の実施形態ではさほど重大ではなく、経済的基準に基づいて設定可能である。電熱式エチン製造施設の出力を低減するための第２の設定閾値についても同様である。
２つの施設の出力が相互に適合調整される場合、有利には、第１の設定閾値と第２の設定閾値とは等しい値に選定される。
有利には、電力供給量は、天気予報データから見積もられる。見積もられた電力供給量に基づいて、有利には、電力供給量に対する上述した閾値が、予測時間内で、一方では計画されたエチン量が生成されるように、他方では、エチンに加えて得られる水素及び／又はガス状の炭化水素の貯蔵容量が超過されないように、選定される。
電力供給量が平均的である場合、電熱式エチン製造施設と発電装置とを共通に動作させることにより、驚くほど大きな駆動時間が達成され、施設の収益性が増大する。
有利には、発電施設は、カレンダー年内で、少なくとも４０００全負荷時間、有利には少なくとも５０００全負荷時間、特に有利には少なくとも５５００全負荷時間にわたって駆動される。この場合の全負荷時間は、式
全負荷時間＝Ｗ／Ｐ
にしたがって計算され、ここで、Ｗはカレンダー年内で行われる電気的作業量［ＭＷｈ］であり、Ｐは施設の定格出力［ＭＷ］である。
また、電熱式エチン製造施設は少なくとも１つのアーク反応器を含み、このアーク反応器を、カレンダー年内の平均で、少なくとも２５００全負荷時間、有利には少なくとも４０００全負荷時間、特に有利には少なくとも５０００全負荷時間にわたって駆動される。この場合の全負荷時間は、式
全負荷時間＝生産量／能力
にしたがって計算され、ここで、生産量とは、カレンダー年内で製造されるエチン量［ｔ］であり、能力とは、エチンについての、時間当たりのアーク反応器の全定格出力［ｔ／ｈ］である。
本発明の方法の有利な実施形態は、上述した本発明の統合施設についての説明に相応に得られる。
本発明の統合施設及び方法は、きわめて経済的かつリソースフレンドリにエチンを製造するのに適している。エチンは、有用な多種の中間生成物へ変換されるので、二酸化炭素排出量の驚くほど大幅な低減が達成される。
こうした二酸化炭素排出量の驚くほど大幅な低減は、相互作用する複数の要因に基づいている。ここには、エチン製造に際して再生可能エネルギから電力が得られ、エチンの製造をきわめて柔軟に電力供給量に適合できるという事実も含まれる。さらに、水素は、きわめて高い電力効率で、二酸化炭素の放出なく、電気エネルギの形成に利用できる。また、有用な生成物の製造に際して、しばしば熱が放出される。こうした余熱は、他のプロセス部分（例えば蒸留分離プロセス）での熱必要量の充足に用いられる。したがって、炭化水素の酸化がプロセス熱の形成に必要となる場合にも、二酸化炭素放出量が低減される。エチンでの比エンタルピーは、同じ最終生成物の合成に代えて使用される他の炭化水素（例えばエチレンもしくはプロピレン）の比エンタルピーよりも高い。このため一般に変換時により多くの熱が生じ、これを他の目的に利用することができる。
さらに、形成されたエチンを、アセトン、又は、ブタンジオール、又は、分子量が少なくとも３０ｇ／ｍｏｌの不飽和化合物の製造に利用することもできる。分子量が少なくとも３０ｇ／ｍｏｌの不飽和化合物としては、特に、ビニルエーテル、有利にはメチルビニルエーテルもしくはエチルビニルエーテル；ビニルハロゲニド、有利にはビニルクロリド；アクリルニトリル；不飽和アルコール、有利にはアリルアルコール、プロパルギルアルコール、ブチンジオール及び／又はブテンジオール；ビニルアセチレン；アクリル酸及びアクリル酸エステル；ビニルアルコールのエステル、有利にはビニルアセテート；ブタジエン及びブテンが挙げられる。
また、形成されたエチンは、エテンに代えて、水素化することもできる。
さらに、これらのプロセスからの副次生成物を発電プロセスに利用できる。この場合、ガス状の副次生成物又は適切な流体状の副次生成物は、気化後に、有利にはガスタービンへ供給される。固体の残滓は特に水素を用いて可燃ガスへ変換され、続いてガスタービンにおいて電力へ変換される。有利には、電熱式エチン製造施設で形成されたエチンが、少なくとも１つの別のプロセスで別の生成物へ変換され、このプロセスの副次生成物が発電施設において電力の形成に使用される。
さらに、分子量が少なくとも３０ｇ／ｍｏｌの不飽和化合物又は他の生成物を生じるエチンの反応時に得られた余熱が少なくとも部分的に電力の形成に用いられる。有利には、電熱式エチン製造施設で生じた熱が、別の生成物を生じる少なくとも１つの他のプロセスで使用され、このプロセスの副次生成物が発電施設において電力の形成に使用される。
本発明の有利な実施例を図１に即して以下に詳細に説明する。
本発明の統合施設の構造を示す概略図である。
図１には、本発明の統合施設１０の概略的構造が示されている。統合施設１０は、電熱式エチン製造施設１２と発電施設１４とを含み、かつ、中央電力網１６に接続されている。この場合、個々の施設の装置を直接に中央電力網１６に接続してもよいし、又は、図１に示されているように、電力伝送のための切替点１８を介して中央電力網１６に接続してもよい。電熱式エチン製造施設１２は第１の電線２０を介して、また発電施設１４は第２の電線２２を介して、それぞれ電力伝送のための切替点１８に接続されており、この電力伝送のための切替点１８が中央電力網１６に接続されている。こうした実施例は、設置費用及び／又は駆動コストの点で有利である。
図１の実施例では、統合施設１０は水素貯蔵所２４を含んでおり、この水素貯蔵所２４には、第１の水素導管２６を介して、電熱式エチン製造施設１２からの水素を充填可能である。電気エネルギを形成するために、水素貯蔵所２４に貯蔵された水素は、第２の水素導管２８を介して、発電施設１４へ供給される。
さらに、図示の実施例の統合施設１０は制御装置３０を含む。制御装置３０は、第１の通信線路３２を介して電熱式エチン製造施設１２に、第２の通信線路３４を介して発電施設１４に、第３の通信線路３６を介して電力伝送のための切替点１８に、第４の通信線路３８を介して水素貯蔵所２４に接続されている。
上述した発明の詳細な説明（実施例を含む）並びに特許請求の範囲及び図面に示されている本発明の種々の特徴は、単独でも任意に組み合わせても本発明の実施に利用可能である。
１０ 統合施設、 １２ 電熱式エチン製造施設、 １４ 発電施設、 １６ 中央電力網、 １８ 電力伝送のための切替点、 ２０ 第１の電線、 ２２ 第２の電線、 ２４ 水素貯蔵所、 ２６ 第１の水素導管、 ２８ 第２の水素導管、 ３０ 制御装置、 ３２ 第１の通信線路、 ３４ 第２の通信線路、 ３６ 第３の通信線路、 ３８ 第４の通信線路

Claims (21)

  1. 電熱式エチン製造施設（１２）と発電施設（１４）とを含む
    統合施設（１０）において、
    前記電熱式エチン製造施設（１２）は、導管（２６，２８）を介して、前記発電施設（１４）に接続されており、
    前記導管は、前記電熱式エチン製造施設（１２）で得られた生成ガスを前記発電施設（１４）へ供給する、
    ことを特徴とする統合施設。
  2. 前記発電施設（１４）は燃料電池を含む、
    請求項１記載の統合施設。
  3. 前記発電施設（１４）はタービンを備えた発電プラントを含む、
    請求項１又は２記載の統合施設。
  4. 前記タービンを備えた発電プラントは、水素及び／又は炭化水素含有ガスによって駆動可能なガスタービンを含む、
    請求項３記載の統合施設。
  5. 前記タービンを備えた発電プラントは、ガス‐蒸気タービン発電プラントである、
    請求項３又は４記載の統合施設。
  6. 前記電熱式エチン製造施設（１２）はアーク反応器を含む、
    請求項１から５までのいずれか１項記載の統合施設。
  7. 前記電熱式エチン製造施設（１２）は、電熱式のエチン製造の際に得られたガス混合物を分離する分離装置を含み、
    前記電熱式のエチン製造の際に得られたガス混合物を分離する分離装置は、前記発電施設（１４）に接続されている、
    請求項１から６までのいずれか１項記載の統合施設。
  8. 前記統合施設（１０）は、水素用及び／又はエチンから分離された炭化水素含有ガス用の少なくとも１つの貯蔵所（２４）を含み、
    該貯蔵所（２４）は、第１の導管（２６）を介して前記電熱式エチン製造施設（１２）に接続されており、かつ、第２の導管（２８）を介して前記発電施設（１４）に接続されている、
    請求項１から７までのいずれか１項記載の統合施設。
  9. 前記電熱式エチン製造施設は、電熱プロセスの余熱によって蒸気を発生する蒸気発生装置を含み、
    前記発電施設は、前記蒸気から電力を形成する発電装置を含み、
    前記統合施設は、前記蒸気発生装置で形成された蒸気を、前記蒸気から電力を形成する発電装置へ供給する蒸気導管を含む、
    請求項１から８までのいずれか１項記載の統合施設。
  10. 前記統合施設は天気予報ユニットに接続されている、
    請求項１から９までのいずれか１項記載の統合施設。
  11. 電力のフレキシブルな使用方法であって、
    請求項１から１０までのいずれか１項記載の統合施設（１０）内で、
    電力供給量が大きい期間中、電熱式エチン製造施設（１２）を駆動し、エチンに加えて得られる水素及び／又はガス状の炭化水素の少なくとも一部を貯蔵し、
    電力供給量が小さい期間中、貯蔵された水素及び／又はガス状の炭化水素を発電施設（１４）へ供給する
    方法。
  12. 前記電熱式エチン製造施設（１２）はアーク反応器を含み、該アーク反応器で得られるガス混合物を、冷却のために、炭化水素含有ガス又は炭化水素含有流体に混合する、
    請求項１１記載の方法。
  13. ガス及び／又は流体の種類及び／又は量を、予測される電力供給量に依存して選定する、
    請求項１２記載の方法。
  14. 電力供給量を天気予報データから見積もる、
    請求項１１から１３までのいずれか１項記載の方法。
  15. 前記発電施設（１４）はガス‐蒸気タービン発電プラントであり、
    前記統合施設（１０）では、
    電力供給量が大きい場合、前記電熱式エチン製造施設（１２）を定格出力の８０％超の出力で、かつ、前記発電施設（１４）を定格電気出力の０％から５０％で駆動し、
    電力供給量が小さい場合、前記電熱式エチン製造施設（１２）を定格出力の０％から５０％で、かつ、前記発電施設（１４）を定格電気出力の８０％超の出力で駆動する、
    請求項１１から１４までのいずれか１項記載の方法。
  16. ａ）電力供給量についての第１の閾値及び第２の閾値を設定するステップと、
    ｂ）電力供給量を求めるステップと、
    ｃ）求められた電力供給量が前記第１の閾値を上回った場合に、前記発電施設（１４）の出力を前記電力供給量に依存して変化させ、前記電力供給量が前記第２の閾値を下回った場合に、前記電熱式エチン製造施設（１２）の出力を前記電力供給量に依存して変化させるステップと、
    ｄ）前記ステップｂ），ｃ）を反復するステップと
    を含む、
    請求項１１から１５までのいずれか１項記載の方法。
  17. 前記第１の閾値と前記第２の閾値とは等しい、
    請求項１６記載の方法。
  18. 前記電熱式エチン製造施設（１２）は少なくとも１つのアーク反応器を含み、該アーク反応器を、カレンダー年の平均で、少なくとも２５００全負荷時間、有利には少なくとも４０００全負荷時間、特に有利には少なくとも５０００全負荷時間にわたって駆動する、
    請求項１１から１７までのいずれか１項記載の方法。
  19. 前記発電施設（１４）を、カレンダー年の平均で、少なくとも４０００全負荷時間、有利には少なくとも５０００全負荷時間、特に有利には少なくとも５５００全負荷時間にわたって駆動する、
    請求項１１から１８までのいずれか１項記載の方法。
  20. 前記電熱式エチン製造施設（１２）で形成されたエチンを少なくとも１つの別のプロセスにおいて別の生成物へ変換し、当該別のプロセスの副次生成物を前記発電施設（１４）で発電のために使用する、
    請求項１１から１９までのいずれか１項記載の方法。
  21. 前記電熱式エチン製造施設（１２）で形成されたエチンを少なくとも１つの別のプロセスにおいて別の生成物へ変換し、当該別のプロセスで生じた熱を前記発電施設（１４）で発電のために使用する、
    請求項１１から２０までのいずれか１項記載の方法。
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